JP3812420B2 - 二次電池制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は二次電池制御装置、特に二次電池の充放電量制御に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、電気自動車やハイブリッド自動車等に二次電池が搭載されている。ハイブリッド車両においては、エンジンの他に二次電池からの電力によりモータを駆動して車両を走行させる。例えば、低速時にはモータのみで車両を走行させ、高速となった時点でエンジンをクランキングして始動し、エンジンとモータで車両を走行させる。車両制動時には、モータをジェネレータとして機能させて運動エネルギを電気エネルギに変換して二次電池を充電する。二次電池の状態は常にマイコンで監視し、充電状態(SOC)が一定値(例えば満充電状態の60%)となるように充放電を制御する。従って、モータのみで走行する低速時においても、二次電池のSOCが低下している場合には、エンジンをクランキングしてエンジンにより車両を走行させる。
【0003】
なお、エンジンのクランキングは、例えばエンジンに連結されたジェネレータを二次電池からの電力によりモータ(セルスタータ)として機能させて行うことができる。すなわち、本来、ジェネレータは主にエンジン出力により発電を行い、その電力をモータに供給してモータを駆動しているが、ジェネレータに接続されたインバータを制御してスタータモータとして機能させ、エンジンを始動してエンジンによる走行とエンジン出力増大及び回生による二次電池の充電を図っている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来においては実際に二次電池のSOCが低下し始めてからモータによる走行からエンジンによる走行に移行しているため、現在の二次電池のSOCでエンジンをクランキングできるか否かが必ずしも保証されていない問題があった。
【0005】
もちろん、十分なマージンを確保したしきい値を設定し、SOCがこのしきい値に達した時点でエンジンをクランキングすることも考えられるが、この場合には二次電池の出力に未だ余裕があるにもかかわらずエンジンを始動することになるので、二次電池の能力を十分活用できず、燃費低下や二次電池の使用効率低下を招く。
【0006】
さらに、運転者がアクセルを全開するなど高負荷走行時においては二次電池からの電力を継続的にモータに供給してトルクアシストを行う必要があるが、従来装置においてはどの程度の時間二次電池からモータに必要な電力を供給できるかを把握しておらず、二次電池の電圧が所定の下限値に達するまで電力を供給する処理を行っているのが実情であり、より計画的かつ効率的な制御が望まれていた。
【0007】
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みなされたものであり、その目的は、二次電池の入出力電力および入出力可能な継続時間を正確に制御し、これによりモータなどの負荷を高精度に制御できる装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、二次電池の状態量を検出する手段と、少なくとも前記状態量に基づき所定の電圧モデルを用いてある電力における前記二次電池の入力あるいは出力可能な継続時間を演算する演算手段とを有することを特徴とする。
【0009】
ここで、前記電力は負荷の駆動に必要な電力であり、前記演算手段は、前記負荷の駆動に必要な電力が得られる出力可能な継続時間を演算し、さらに、前記装置は、演算して得られた継続時間が負荷駆動に必要な所定の継続時間に達した場合に前記二次電池の電力により前記負荷を駆動する制御手段とを有することが好適である。
【0010】
また、本装置において、前記負荷はエンジンであり、前記制御手段は、演算して得られた継続時間がエンジン始動に必要な所定の継続時間に達した場合に前記二次電池の電力により前記エンジンを始動することが好適である。
【0011】
前記電圧モデルは、前記状態量をx、電流値をi、電圧値をVとした場合にV=g(x,i)により表され、前記演算手段は、電力P=g(x,i)×iを満たす電流値iを算出し、電流iが流れたことによる時間T後の前記二次電池の状態量を算出し、算出された電流値及び状態量に基づき前記電圧モデルを用いて時間T後の電圧を算出し、前記電圧が前記二次電池の所定の電圧下限値に達するときの前記時間Tの積算値を前記継続時間として算出することができる。
【0012】
また、本発明は、二次電池の状態量を検出する手段と、少なくとも前記状態量に基づき所定の電圧モデルを用いて前記二次電池の入力あるいは出力可能なある継続時間における電力を演算する演算手段とを有することを特徴とする。
【0013】
本装置において、さらに、前記演算手段で得られた電力及び継続時間で負荷を駆動する制御手段とを有することができ、前記負荷はモータとすることができる。
【0014】
このように、本発明の二次電池制御装置は、二次電池の電圧モデルを用いて現在の状態量(SOCや温度等)から電力に対応する入力あるいは出力可能な継続時間を算出する。言い換えれば、ある電力に対応する入力あるいは出力可能な継続時間を予測する。入出力可能な継続時間を予測することで、必要な継続時間条件を満たしているか否かを判定し、判定結果に基づいて二次電池の充放電を精度良く制御できる。本発明の二次電池を車両に搭載し、二次電池の状態に応じてモータ駆動からエンジン駆動に切り替える場合、二次電池がエンジンのクランキングに必要な電力及び継続時間を満たすか否かを判定することが可能となり、これにより二次電池に不要マージンを確保する必要がなくなり、かつエンジンのクランキングを保証できる。
【0015】
一方、現在の状態量から電力に対応する入出力継続時間を算出するのではなく、その逆演算により入出力継続時間に対応する電力を算出することも可能である。例えば、二次電池に要求される放電継続時間が与えられた場合、この放電継続時間に対応する電力が得られる。これにより、少なくともある電力をある一定時間だけ充放電させる必要が生じた場合でも、現在の二次電池がこの条件を満たすか否かを正確に判断することができ、充放電の制御性が向上する。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【0017】
図1には、本実施形態の構成ブロック図が示されている。車両にはモータ/ジェネレータ(MG)14およびエンジン16並びにジェネレータ19が設けられる。モータ/ジェネレータ14とエンジン16は、例えばプラネタリギア機構等の動力分配機構により連結され、その一部は駆動輪が結合されたドライブシャフトに接続される。これにより、モータ/ジェネレータ14あるいはエンジン16の出力が駆動輪に伝達され、車両を駆動する。
【0018】
エンジン16は、アクセルセンサで検出されたアクセルペダルの操作量や冷却水温などの環境条件、さらにモータ/ジェネレータ14の運転状態に基づきエンジンECU17によりその出力や回転数などが制御される。
【0019】
ジェネレータ19は、エンジン16に連結され、エンジン16の出力より発電してモータ/ジェネレータ14を駆動し、あるいは二次電池10に供給して二次電池10を充電する。
【0020】
モータ/ジェネレータ14は、ハイブリッド(HV)ECU20により制御され、HVECU20はモータECUを介してインバータ12の各スイッチを制御することにより二次電池10からモータ/ジェネレータ14に電力を供給し、あるいはモータ/ジェネレータ14からの電力を二次電池10に回生して二次電池10を充電する。二次電池10とインバータ12はシステムメインリレーSMRを介して接続される。
【0021】
HVECU20によるインバータ12の制御は、エンジンECU17からのエンジン16の運転状態の情報やアクセルペダルの操作量、ブレーキコンピュータからのブレーキペダルの操作量、シフトポジションセンサからのシフトレンジ、電池ECU18からの二次電池10の充電状態SOC等に基づき実行される。例えば、HVECU20は、電池ECU18から供給された二次電池10のSOCに基づき、モータ駆動からエンジン駆動への切替タイミングを制御する。エンジン始動は、インバータ12を制御して二次電池10からの電力をジェネレータ19に供給し、ジェネレータ19をスタータモータとして機能させることで行う。モータ駆動からエンジン駆動への切替については、さらに後述する。
【0022】
二次電池10は、複数のブロックが直列接続されて構成され、各ブロックは複数のセルから構成される。各ブロック毎に電圧センサが設けられ、各ブロックの検出電圧を電池ECU18に供給する。また、電流センサで検出された二次電池10の電流値も電池ECU18に供給される。さらに、温度センサで検出された温度も電池ECU18に供給される。二次電池10としては、例えばニッケル水素電池を用いることができる。
【0023】
電池ECU18は、検出された温度に基づき二次電池10の温度管理を実行し、温度が所定温度以上となった場合に図示しない冷却ファンを駆動して二次電池10の温度を一定に維持する。また、検出された電流値に基づき二次電池10の充電状態(SOC)を検出してHVECU20に供給する。SOCは、初期状態のSOCと電流積算値に基づき算出される。
【0024】
このような構成において、本実施形態では、HVECU20でモータ駆動からエンジン駆動に切り替える際に、二次電池10の出力可能継続時間を算出し、最適のタイミングでエンジン駆動に切り替える。すなわち、二次電池10の使用効率の観点からは、二次電池10のSOCあるいが電圧がエンジンクランキングに必要な出力が得られる限界値に達するまではエンジンを始動せず、限界値に達した時点でその残存出力を用いてエンジンクランキングを行うのが望ましい。二次電池10に余裕を残さず、かつ確実にエンジンを始動できるからである。
【0025】
そこで、本実施形態のHVECU20は、現在の二次電池10の状態から、エンジンクランキングに必要な既知の必要電力及び出力継続時間が得られるか否かを正確に判定することで切替タイミングを調整する。
【0026】
図2には、HVECU20の処理フローチャートが示されている。まず、HVECU20は、エンジン16のクランキングに必要な電力PEに対する二次電池10の出力可能継続時間TCを算出する(S101)。この算出処理については後述する。次に、得られた継続時間TCとエンジン16のクランキングに必要な既知の継続時間TEの大小比較を行う(S102)。なお、継続時間TEは予めHVECU20のメモリに記憶しておけばよい。そして、継続時間TCがTEを越えている場合には、二次電池10に未だ余裕があることを意味するからエンジン16のクランキングは実行せず、モータ14により走行する。一方、S102にてYES、すなわち算出された継続時間TCが継続時間TE以下となったとき、言い換えれば継続時間TCが継続時間TEに達した場合には、二次電池10の余裕がなくエンジン16のクランキングは可能であることを意味するから、この時点でインバータ12を制御してジェネレータ19をモータとして機能させエンジン16を始動する(S103)。
【0027】
図3には、図2におけるS101の処理、すなわちエンジンのクランキングに必要な既知の電力PEに対する二次電池10の出力可能継続時間TCを算出する処理フローチャートが示されている。
【0028】
まず、HVECU20は各種パラメータの初期設定を行う(S201)。具体的には、二次電池10の状態量(SOCや温度)に現地点で検出された状態量をセットするとともに、継続時間TCを0に初期化する。次に、所定の電圧モデルV=g(x,i)において、PE=g(x,i)×iの関係を満たす電流値iを算出する(S202)。所定の電圧モデルV=g(x,i)は、理論的に定義される公知の電圧モデルのパラメータを二次電池10を用いた充放電実験により調整することで得ることができる。
【0029】
エンジンクランキングに必要な電力PEが得られる電流値iを算出した後、この電流iが流れることによる時間T後の二次電池10の状態量xを算出する(S203)。SOCであれば、初期状態のSOCからT間に流れた電流の積算値を加減することによりT後のSOCを算出することができる。温度に関しては、実験的に定めた温度上昇分から定めることができる。
【0030】
次に、S202にて得られた電流値iとS203にて得られた状態量xに基づき、所定の電圧モデルV=g(x,i)を用いて時間T後の二次電池10の電圧を算出する(S204)。時間T後の二次電池10の電圧を算出した後、この電圧が二次電池10の所定の下限電圧に達したか否かを判定する(S205)。この下限電圧は、これよりも電圧が低下すると二次電池10の劣化が急速に進む電圧であり、二次電池10に応じて予め決定してメモリに記憶しておく。そして、二次電池10の電圧が未だ下限電圧に達していない場合には、二次電池10の出力あるいは放電が未だ可能であることを意味するから、継続時間TCに時間Tを加算して継続時間TCを更新し(S206)、再びS202以降の処理を繰り返していく。これにより、時間Tは二次電池10の電圧が下限値に達するまで順次積算され、この積算値が継続時間TCとなる。
【0031】
一方、二次電池10の電圧モデルに基づく算出電圧が下限電圧に達した場合には、二次電池10の出力に余裕がなくなりこれ以上の放電はできないことを意味するから、その時点におけるTCを電力PEが得られる可能な出力継続時間TCとして確定する。以上のようにして、二次電池10の現在の状態量xと電圧モデルを用いてエンジンクランキングに必要な電力PEを継続して出力できる継続時間TCを精度良く算出することができる。算出されたTCは所定時間TEと大小比較されることは上述した通りである。
【0032】
このように、本実施形態においては、エンジンクランキングに必要な電力が得られる二次電池10の出力可能継続時間を算出し、この継続時間がエンジンクランキングに必要な所定の継続時間に達したときにエンジンクランキングを実行するようにタイミング制御しているので、二次電池10の能力を最大限利用することができ、二次電池10の使用効率、モータ14の使用効率を向上させて燃費向上を図ることができる。
【0033】
なお、本実施形態においては、図3に示された処理フローチャートによりエンジンクランキングに必要な電力PEの出力継続時間TCを算出しているが、二次電池10の状態量xと電力P並びに継続時間TCとの関係を電圧モデルを用いて予め算出してマップ化してメモリに記憶しておき、このマップに基づき現在の状態量xおよび必要な電力に対応する継続時間TCを直ちに算出してもよい。このようなマップは、TC=f(x,P)なる関係式で表すことができる。
【0034】
また、電力Pと継続時間Tとの関係T=f(x,P)に基づき、電力Pから二次電池10の継続時間を算出するのではなく、逆に二次電池10の現在の状態量xと必要な継続時間Tから、二次電池10の可能電力Pを算出することもできる。すなわち、T=f(x、P)の関係からP=f-1(x,T)を得、この関係式により必要な継続時間Tが得られる電力Pを算出できる。これにより、例えば車両運転者がアクセルを全開操作等して少なくとも所定の時間(例えば10秒)は二次電池10を継続的に放電させてモータ14を駆動させる必要がある場合に、どの程度の電力が得られるかを予め把握することができる。例えば、少なくとも10秒間継続して放電する必要がある場合には、10秒間継続して出力できる電力が得られることになり、この電力を用いてトルクアシストを行うことができる。もちろん、10秒間で得られる電力がアクセル操作に伴うモータトルクを得るのに十分でない場合には、必要な電力が得られる継続時間を上述した実施形態と同様の方法で算出し、その継続時間が容認できるか否かを判定してもよい。
【0035】
さらに、エンジン始動時、あるいはアクセル全開等の高負荷走行時によらず、HVECU20は二次電池10の現在の状態量から可能な出力電力と継続時間との組合せ(P、T)を常に算出し、この中から現在の走行状態に最適の組合せを選択して二次電池10の放電を制御することも可能である。
【0036】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく種々の変更が可能である。
【0037】
例えば、本実施形態では二次電池10の放電について説明したが、二次電池10の充電についても同様に行うことができる。具体的には以下のように処理できる。すなわち、二次電池10の状態量(SOCや温度)に現地点で検出された状態量をセットするとともに、継続時間TCを0に初期化する。次に、所定の電圧モデルV=g(x,i)において、入力電力P=g(x,i)×iの関係を満たす電流値iを算出する。電力Pに対応する電流値iを算出した後、この電流iが流れ込むことによる時間T後の二次電池10の状態量xを算出する。そして、得られた電流値iと状態量xに基づき、所定の電圧モデルV=g(x,i)を用いて時間T後の二次電池10の電圧を算出する。時間T後の二次電池10の電圧を算出した後、この電圧が二次電池10の所定の上限電圧に達したか否かを判定する。二次電池10の電圧が未だ上限電圧に達していない場合には、二次電池10の充電が未だ可能であることを意味するから、継続時間TCに時間Tを加算して継続時間TCを更新していく。これにより、時間Tは二次電池10の電圧が上限値に達するまで順次積算されていき、この積算値が継続時間TCとなる。算出された継続時間は所定のしきい時間と比較され、所定のしきい時間以内であれば二次電池10の充電を許可し、しきい時間を超える場合には二次電池10の充電を禁止する等の制御が可能である。
【0038】
また、P=f-1(x,T)に基づいて充電継続時間Tに対応する入力電力Pを算出し、この電力で二次電池10の充電を行うことも可能であろう。
【0039】
また、本実施形態では、電力に対応する入力あるいは出力可能継続時間の算出はHVECU20で実行しているが、もちろん電池ECU18で行うことも可能であり、さらにこれらとは別のECUあるいはマイコンで実行してもよい。
【0040】
また、本発明における電圧モデルV=g(x,i)の関数形は任意に設定することができ、単一の関数形ではなく状態量xあるいは電流値iに応じて複数の関数形を用いてもよい。HVECU20のプロセッサが、V=g(x,i)なる一定の関係式に従って電力から継続時間を算出し、あるいは継続時間から電力を算出するのではなく、予めこの関係式に従って状態量と電力並びに継続時間のセットをマップとしてメモリに記憶させ、このマップを用いて検出した状態量に対応する電力あるいは継続時間を読み出してもよい。マップに記憶された状態量と電力及び継続時間は電圧モデルに基づいて得られる以上、本発明に含まれる。
【0041】
また、電圧モデルV=g(x,i)における状態量としては本実施形態で示した充電状態(SOC)や温度の他、二次電池10の充放電履歴を示すパラメータを含んでいてもよい。
【0042】
さらに、HVECU20は、電力と時間との関係式T=f(x、P)を用いて電力Pから継続時間Tを算出する、あるいはP=f-1(x、T)を用いて継続時間Tから電力Pを算出することもできるが、この式も電圧モデルV=g(x,i)を用いて得られる以上、本発明に含まれる。
【0043】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば二次電池を限界まで使用することができ、充電あるいは放電効率を上げることができる。また、ハイブリッド車などに搭載した場合には、二次電池の使用効率が向上するので燃費も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施形態の構成ブロック図である。
【図2】 実施形態の処理フローチャートである。
【図3】 実施形態の継続時間算出フローチャートである。
【符号の説明】
10 二次電池、12 インバータ、14 モータ/ジェネレータ、16 エンジン、17 エンジンECU、18 電池ECU、19 ジェネレータ、20HVECU。
Claims (5)
- 二次電池の状態量を検出する手段と、少なくとも前記状態量に基づき所定の電圧モデルを用いてある電力における前記二次電池の入力あるいは出力可能な継続時間を演算する演算手段と、
を有し、
前記電力は負荷の駆動に必要な電力であり、
前記演算手段は、前記負荷の駆動に必要な電力が得られる出力可能な継続時間を演算し、さらに、前記装置は、
演算して得られた継続時間が負荷駆動に必要な所定の継続時間に達した場合に前記二次電池の電力により前記負荷を駆動する制御手段と、
を有することを特徴とする二次電池制御装置。 - 請求項1記載の装置において、
前記負荷はエンジンであり、
前記制御手段は、演算して得られた継続時間がエンジン始動に必要な所定の継続時間に達した場合に前記二次電池の電力により前記エンジンを始動することを特徴とする二次電池制御装置。 - 請求項1、2のいずれかに記載の装置において、
前記電圧モデルは、前記状態量をx、電流値をi、電圧値をVとした場合に、V=g(x,i)により表され、
前記演算手段は、
電力P=g(x,i)×iを満たす電流値iを算出し、
電流iが流れたことによる時間T後の前記二次電池の状態量を算出し、
算出された電流値及び状態量に基づき前記電圧モデルを用いて時間T後の電圧を算出し、
前記電圧が前記二次電池の所定の電圧下限値に達するときの前記時間Tの積算値を前記継続時間として算出する
ことを特徴とする二次電池制御装置。 - 二次電池の状態量を検出する手段と、
少なくとも前記状態量に基づき所定の電圧モデルを用いて前記二次電池の入力あるいは出力可能なある継続時間における電力を演算する演算手段と、
を有することを特徴とする二次電池制御装置。 - 請求項4記載の装置において、さらに、
前記演算手段で得られた電力及び継続時間でモータを駆動する制御手段と、
を有することを特徴とする二次電池制御装置。
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